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任务切换

破碎的山岚2025/8/22大约 6 分钟RTOS

任务切换

异常和中断

异常分为同步异常和异步异常，异步异常就是通常所说的中断。

同步异常：异常与当前正在执行的指令直接相关。

异步异常：异常的发生时间与当前正在执行的指令没有直接关系，可以在任意时刻发生。

异常（Exception）
├── 同步异常（Synchronous）
│   ├── 软件触发：SVC
│   ├── 指令执行错误：除零、非法访问等
│   └── 调试异常
│
└── 异步异常（Asynchronous）
    └── 中断（Interrupt）
        ├── 外部中断
        └── 系统定时器中断
特性同步异常异步异常 / 中断
触发源CPU内部或软件指令硬件外设等
发生时机与当前指令相关与当前指令无关
典型例子SVC、UsageFault、HardFaultGPIO、UART、DMA、SysTick
典型用途系统调用、错误处理响应外部事件、系统节拍

Cortex-M 的异常向量表中，系统异常位于前面，外部中断紧随其后。

__Vectors:
    DCD     __initial_sp
    DCD     Reset_Handler
    DCD     NMI_Handler
    DCD     HardFault_Handler
    DCD     MemManage_Handler
    DCD     BusFault_Handler
    DCD     UsageFault_Handler
    DCD     0
    DCD     0
    DCD     0
    DCD     0
    DCD     SVC_Handler
    DCD     DebugMon_Handler
    DCD     0
    DCD     PendSV_Handler
    DCD     SysTick_Handler

    ; 外部中断
    DCD     WWDG_IRQHandler
    DCD     PVD_IRQHandler
    ; ...

在 FreeRTOS 中，与任务切换密切相关的三个异常是：

SVC
 │
 └── 启动第一个任务

SysTick
 │
 └── 系统节拍 → 更新时间 → 判断是否需要切换

PendSV
 │
 └── 真正执行任务上下文切换

PendSV异常

PendSV（Pendable Service Call）是 Cortex-M 提供的一种可挂起系统异常。

FreeRTOS 利用 PendSV 来完成任务上下文切换。

任务切换可能由多个场景引起，例如：

任务主动让出CPU
        │
        ▼
     taskYIELD()
        │
        ▼
   设置PendSV挂起位
        │
        ▼
    PendSV异常
        │
        ▼
     执行任务切换

或者：

SysTick中断
     │
     ▼
xTaskIncrementTick()
     │
     ├── 不需要切换 → 返回
     │
     └── 需要切换
             │
             ▼
       设置PendSV挂起位
             │
             ▼
        PendSV异常
             │
             ▼
          任务切换

因此可以把 PendSV 理解成：

FreeRTOS 在 Cortex-M 上专门用来执行任务上下文切换的异常入口。

任务切换的核心过程可以概括成：

当前任务
   │
   ▼
保存当前任务上下文
   │
   ▼
保存当前任务的栈顶指针到TCB
   │
   ▼
选择下一个任务
   │
   ▼
从新任务TCB获取栈顶指针
   │
   ▼
恢复新任务上下文
   │
   ▼
新任务继续运行

获取下一个要运行的任务

PendSV 保存当前任务的上下文之后，需要调用：

vTaskSwitchContext();

这个函数的作用并不是直接保存、恢复寄存器，而是：

从就绪任务中选择下一个应该运行的任务，并更新 pxCurrentTCB。

核心代码：

void vTaskSwitchContext( void )
{
    if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) pdFALSE )
    {
        xYieldPending = pdTRUE;
    }
    else
    {
        xYieldPending = pdFALSE;

        traceTASK_SWITCHED_OUT();

        taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW();

        taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();

        traceTASK_SWITCHED_IN();
    }
}

整个过程：

vTaskSwitchContext()
        │
        ▼
判断调度器是否被挂起
        │
        ├── 是
        │    └── 设置 xYieldPending
        │
        └── 否
             │
             ▼
       选择最高优先级任务
             │
             ▼
       更新 pxCurrentTCB

需要注意：

vTaskSwitchContext() 负责“选谁运行”，PendSV 汇编负责“怎么切过去”。

也就是说：

PendSV
 ├── 保存旧任务寄存器
 │
 ├── vTaskSwitchContext()
 │      └── 决定下一个任务是谁
 │
 └── 恢复新任务寄存器

最高优先级选择

FreeRTOS 会为不同优先级维护对应的就绪任务链表。

可以简单理解为：

pxReadyTasksLists[]

优先级
  5 ──► [Task_A] ─► [Task_B]
  4 ──► [Task_C]
  3 ──► [Task_D] ─► [Task_E]
  2 ──► 空
  1 ──► [Task_F]
  0 ──► [Idle]

调度器首先找到：

当前存在就绪任务的最高优先级。

然后从这个优先级对应的就绪链表中选择任务。

核心宏：

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()                    \
{                                                             \
    UBaseType_t uxTopPriority;                                \
                                                              \
    portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority,                  \
                              uxTopReadyPriority );            \
                                                              \
    configASSERT(                                             \
        listCURRENT_LIST_LENGTH(                              \
            &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) > 0 );  \
                                                              \
    listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(                              \
        pxCurrentTCB,                                         \
        &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );            \
}

逻辑可以理解成：

找到最高优先级
      │
      ▼
检查该优先级的就绪链表
      │
      ▼
取出下一个任务
      │
      ▼
pxCurrentTCB = 新任务TCB

因此：

调度器负责决定“下一个是谁”，而 PendSV 负责完成“从当前任务切换到这个任务”。

FreeRTOS 提供了软件查找和硬件优化两种最高优先级查找方式。

本篇暂时只关注软件方式，硬件优化方式不展开。

系统调用

FreeRTOS 中，任务可以主动请求调度。

例如：

taskYIELD();

其最终会通过：

portYIELD();

设置 PendSV 挂起位：

#define portYIELD()
{
    portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;

    __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );
    __isb( portSY_FULL_READ_WRITE );
}

Cortex-M 的 ICSR（Interrupt Control and State Register）中：

ICSR
 │
 └── PENDSVSET
       │
       └── 置1 → PendSV被挂起

因此：

taskYIELD()
    │
    ▼
portYIELD()
    │
    ▼
设置 ICSR.PENDSVSET
    │
    ▼
PendSV异常
    │
    ▼
保存当前任务
    │
    ▼
选择新任务
    │
    ▼
恢复新任务

这里需要注意：

不是“所有 FreeRTOS API 都叫系统调用”。

更准确地说，FreeRTOS API 中有些 API 会改变任务状态、触发调度或者主动请求任务切换。

例如：

taskYIELD();
vTaskDelay();
xQueueSend();
xSemaphoreGive();
xTaskNotify();

这些 API 是否立即发生上下文切换，要看具体 API、当前任务状态以及调度器状态。

SysTick

SysTick 是 Cortex-M 内核自带的系统定时器。

FreeRTOS 通常利用 SysTick 产生周期性的系统节拍。

例如：

void SysTick_Handler(void)
{
    if(xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED)
    {
        xPortSysTickHandler();
    }

    HAL_IncTick();
}

FreeRTOS 的核心处理：

void xPortSysTickHandler(void)
{
    uint32_t ulPreviousMask;

    ulPreviousMask = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();

    {
        if(xTaskIncrementTick() != pdFALSE)
        {
            *(portNVIC_INT_CTRL) = portNVIC_PENDSVSET;
        }
    }

    portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(ulPreviousMask);
}

其中：

xTaskIncrementTick()

负责推进 FreeRTOS 的系统 Tick，并检查是否产生了调度需求。

例如：

SysTick到来
    │
    ▼
xTaskIncrementTick()
    │
    ├── 延时任务到期？
    │
    ├── 是否有更高优先级任务进入Ready？
    │
    ├── 时间片是否到期？
    │
    └── 是否需要任务切换？
             │
             ├── 否 → 返回
             │
             └── 是
                  │
                  ▼
            设置PendSV挂起位
                  │
                  ▼
              PendSV执行切换

所以 SysTick 和 PendSV 的职责不要混淆：

SysTick
  │
  ├── 更新时间
  ├── 处理延时到期
  ├── 处理时间片
  └── 判断是否需要切换
             │
             ▼
       设置PendSV
             │
             ▼
PendSV
  │
  ├── 保存当前任务上下文
  ├── 选择下一个任务
  └── 恢复新任务上下文

也就是说：

SysTick 负责“发现需要切换”，PendSV 负责“真正完成切换”。

时间片轮转

当多个任务具有相同的优先级，并且开启时间片调度时，FreeRTOS 可以让这些任务轮流获得 CPU。

例如：

Task A：优先级 2
Task B：优先级 2
Task C：优先级 2

它们都处于 Ready 状态时，可以进行时间片轮转：

时间
────────────────────────────────────►

Task A │ Task B │ Task C │ Task A │ Task B │ ...
       ↑        ↑        ↑
     时间片    时间片    时间片

每经过一个 Tick，调度器可能让当前任务让出 CPU，从同一优先级的就绪链表中选择下一个任务。

相关配置：

#define configUSE_TIME_SLICING    1
#define configUSE_PREEMPTION      1

其中：

configUSE_TIME_SLICING

用于控制同优先级任务之间的时间片轮转。

configUSE_PREEMPTION

用于控制是否使用抢占式调度。

因此：

configUSE_PREEMPTION = 1
        │
        ▼
允许高优先级任务抢占低优先级任务

configUSE_TIME_SLICING = 1
        │
        ▼
同优先级Ready任务之间可以进行时间片轮转

最终整个 FreeRTOS 任务切换过程可以串起来：

                    任务切换
                       │
          ┌────────────┴────────────┐
          │                         │
       主动让出                   SysTick
          │                         │
     taskYIELD()              xTaskIncrementTick()
          │                         │
          └────────────┬────────────┘
                       │
                       ▼
               设置 PendSV 挂起位
                       │
                       ▼
                 PendSV Handler
                       │
          ┌────────────┴────────────┐
          │                         │
     保存当前任务现场          vTaskSwitchContext()
          │                         │
          │                   选择下一个任务
          │                         │
          └────────────┬────────────┘
                       │
                       ▼
                 恢复新任务现场
                       │
                       ▼
                 新任务继续运行
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贡献者: 扶柳人间()